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干热岩开发,能否改写传统能源版图?

时间:2017-03-22 | 作者: 吴启华 | 来源: 中国矿业报

   随着我国经济的持续增长,对能源的需求量越来越大。煤、石油、天然气等常规能源不但面临剩余储量不断减少、严重枯竭等问题,还存在环境污染的问题。因而,大力发展新能源势在必行。专家认为,地热资源已成为新能源中的佼佼者,而干热岩又是其中最具应用价值和利用潜力的清洁能源。

  干热岩资源何处有

  全球的干热岩主要分布在美国墨西哥湾、南美太平洋沿岸国家、朝鲜半岛、日本北海道,菲律宾、印度、新西兰、南澳大利亚的部分地区,冰岛等欧洲西北部和俄罗斯远东地区等。全球干热岩地热资源量巨大,比蒸汽型、热水型和地压型地热资源量大得多,比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。

  根据我国区域地质背景,高热流区均处于板块构造带或构造活动带,我国西南部的地热活动具有南强北弱、西强东弱的规律,东部区的地热活动呈东强西弱之势。在滇藏、东南沿海、京津冀、环渤海等地区分布有较大范围的火山岩体,说明我国具备干热岩地热资源形成的区域构造条件。据调查,我国干热岩主要分布在3个区域:沉积盆地区(东北、华北和苏中)、近代火山活动地区(包括吉林长白山、山东蓬莱、海南琼北、台湾基隆、黑龙江五大连池、云南腾冲、新疆南部和青藏高原西南部等)和高热流花岗岩地区(福建、广东、广西)。我国干热岩所储存的热能约为已探明地热资源总量的30%。

  目前,人们对干热岩的开发利用,主要是发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响,且不受季节、气候制约。因为干热岩发电既不像火电那样向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物,也不像水电那样因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害,所以干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。

  同时,干热岩因其得天独厚的较高温度,一旦成功开采出来,将是冬季供暖的良好热源。干热岩供暖技术具有普遍适用性、绿色环保、运行成本低、安全可靠等优点。

  美、日等国先到一步

  目前,全世界有120多个国家在开发利用地热资源,其中比较典型的有美国、日本、澳大利亚等。2001年,美国能源部开始实施“增强地热系统”干热岩开发试验计划,预期在2030年实现干热岩地热发电的商业化运营,到2050年干热岩地热发电量计划超过10×104兆瓦。2003年,澳大利亚在库珀盆地开展了干热岩地热开发利用试验项目,该盆地的热能储量高达500亿桶油当量,井深4500米处干热岩温度高达270摄氏度,并进行了水循环与发电试验。欧洲也在大力开展干热岩地热开发技术研究,如德国在法尔肯贝格对岩石的裂隙、压裂产生裂隙的机制以及水在这些裂隙中的运移机理进行了研究。

  我国对地热的开发利用仍处于初级阶段,主要集中在中低温热资源的研究和利用方面;对干热岩地热资源的开发研究尚处于起步阶段,在部分地区进行了干热岩地热资源调查,仅少数科研单位开展了初步理论研究。我国对干热岩的接触始于上世纪90年代,中国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所在北京房山区合作进行了干热岩发电研究试验工作。

  2012年,我国启动了“863”计划项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”。2013年,国土资源部在青海共和盆地中北部钻成井深2230米、井底温度达153℃的干热岩井,对干热岩地热开发进行了探索试验。

  此后,中国地质调查局地热资源调查研究中心编制了《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》,计划在掌握全国干热岩资源与潜力的基础上,找出优先开发靶区,建立干热岩勘查示范基地,形成我国干热岩勘查开发关键技术体系,推进我国干热岩技术商业化。

  前景广阔但尚待时日

  我国政府相关部门都出台了一系列政策措施支持干热岩开发利用。其中,最近出台的《地热能开发利用“十三五”规划》明确提出,在“十三五”时期,开展干热岩开发试验工作,建设干热岩示范项目,通过示范项目的建设,突破干热岩资源潜力评价与钻探靶区优选、干热岩开发钻井工程关键技术以及干热岩储层高效取热等关键技术,突破干热岩开发与利用的技术瓶颈;开展万米以浅地热资源勘查开发工作,积极开展干热岩发电试验,在藏南、川西、滇西、福建、华北平原、长白山等资源丰富地区选点,通过建立2个~3个干热岩勘查开发示范基地,形成技术序列,孵化相关企业,积累建设经验,在条件成熟后进行推广。

  截至目前,我国已初步筛选出干热岩勘查开发的几大重点区域:东南沿海地区、藏南地区、大同盆地、松辽平原、环渤海地区、长白山地区、五大连池地区、雷州半岛地区、琼北、川西、滇西、华北平原、苏北盆地、关中盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、阿尔山地区、塔什库尔干地区。国内部分省市对干热岩的开发利用也表现出了兴趣,如山东、青海、广东等省在该领域都已经有了投入。

  有关专家表示,在干热岩开发利用方面,我国现在面对的是一片空白,所知甚少,实际操作中如何压裂、如何保证裂隙连通、如何保证流量填充、如何实现可持续,都是必须解决的技术难题。

  值得欣慰的是,2013年底成立的中国地调局地热资源调查研究中心为示范工程的开展提供了坚实的团队支撑。该中心将作为一个平台,集聚各方人才和力量,共同开展我国地热勘查开发利用研究。其中,一个团队是干热岩资源研究团队,主要开展地壳热结构、盆地热演化、高温地热资源形成机理等研究。他们将完成我国干热岩资源潜力调查评价与研究基地建设的调查计划,并开展干热岩资源科学开发利用与试验研究,建设干热岩压裂和热交换模拟系统,并将其作为未来申报国家重点实验室或国家工程中心的一项重点内容。

  干热岩开发利用,需要借助大量水循环,每次提取地热资源时,都要给地下岩石水库注水,在循环过程中还要对流失的水不断进行补充。因此,充足的水源供应是开发利用热干岩的一项重要条件。当然,目前也有专家正在研究用超临界的二氧化碳作为循环液。这种方法可以避免水溶液注入可能产生的一系列问题,同时实现二氧化碳的资源化。不过,这项研究才刚刚起步,仍面临不少技术难题。

  他山之石,可以攻玉。我们通过同国外公司合作,不断积累,一旦有了自主创新的成果,我们就有可能做得比他们更好。此外,干热岩在社会民众层面的认知度并不高,还需要辅助更多的宣传,以取得民众的理解和支持,便于更好地开展工作,进一步推动国家能源可持续发展战略。

  近年来,我国将绿色发展提升到前所未有的高度。干热岩作为最具应用价值和利用潜力的清洁能源,必将在优化能源结构,防治大气污染,改善人民生活,促进经济社会生态环境科学、协调发展等方面发挥更加重要的作用。尽管目前我国干热岩开发还处于起步阶段,技术基础和理论尚未突破,面临的困难也很多,但只要我们加大理论研究和技术攻关,积极开展示范工程,终将形成我国干热岩地热开发自主化技术体系,并实现大规模高效利用。

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